RNA Polymerase và Khởi đầu Phiên mã

RNA polymerase là các enzyme phụ thuộc DNA tổng hợp RNA từ khuôn DNA, và khởi đầu phiên mã là giai đoạn đầu tiên giới hạn tốc độ, trong đó enzyme định vị một promoter, tháo xoắn DNA và bắt đầu tạo RNA. Bởi vì khởi đầu là nơi hội tụ hầu hết các điều hòa, cấu trúc của polymerase và các bước cam kết nó với một gen là trung tâm để hiểu biểu hiện gen.

Definition

Các RNA polymerase phụ thuộc DNA là các enzyme xúc tác tổng hợp RNA theo khuôn từ các ribonucleoside triphosphate; khởi đầu phiên mã là tập hợp các bước từ liên kết promoter thông qua hình thành phức hợp mở đến tổng hợp các liên kết phosphodiester đầu tiên và thoát ra để kéo dài.

Scope

Chủ đề này bao gồm enzyme RNA polymerase xúc tác và các sự kiện khởi đầu: nhận diện promoter (ở vi khuẩn thông qua các yếu tố sigma, ở sinh vật nhân chuẩn thông qua các yếu tố phiên mã chung), hình thành phức hợp mở, khởi đầu thất bại và thoát khỏi promoter để đi vào giai đoạn kéo dài hiệu quả. Nó xử lý enzyme và bước cam kết đầu tiên của nó một cách cơ chế và mang tính tham khảo-giáo dục, không phải hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• RNA polymerase nhận diện promoter và định vị vị trí hoạt động của nó tại điểm khởi đầu như thế nào?
• Điều gì chuyển đổi một phức hợp promoter đóng thành một phức hợp mở có khả năng phiên mã?
• Tại sao việc thoát khỏi promoter là một bước riêng biệt, thường giới hạn tốc độ?

Key concepts

• Enzyme lõi và holoenzyme
• Yếu tố Sigma (vi khuẩn) và các yếu tố phiên mã chung (sinh vật nhân chuẩn)
• Phức hợp promoter đóng và mở
• Khởi đầu thất bại
• Thoát khỏi promoter
• Xúc tác hai ion kim loại tại vị trí hoạt động

Mechanisms

Khởi đầu bắt đầu khi RNA polymerase, được hướng dẫn bởi một yếu tố đặc hiệu, liên kết với DNA promoter để tạo thành một phức hợp đóng; sự tháo xoắn cục bộ sau đó tạo ra một phức hợp mở làm lộ ra sợi khuôn trong khe hoạt động. Enzyme tổng hợp các RNA ngắn trong các chu kỳ thất bại lặp đi lặp lại trước khi thoát khỏi promoter và giải phóng yếu tố khởi đầu của nó để đi vào giai đoạn kéo dài liên tục. Các cấu trúc độ phân giải cao của RNA polymerase II đã cho thấy kiến trúc vị trí hoạt động được bảo tồn và kẹp là nền tảng cho những chuyển đổi này, và các nghiên cứu phân tử đơn và RNA mới sinh đã tiết lộ rằng việc giữ lại yếu tố khởi đầu và tạm dừng sau khởi đầu là những đặc điểm phổ biến của sự chuyển đổi từ khởi đầu sang kéo dài.

Clinical relevance

RNA polymerase là mục tiêu của các kháng sinh và độc tố quan trọng về mặt lâm sàng (ví dụ, các tác nhân tác động lên polymerase của vi khuẩn, và amatoxin tác động lên Pol II của sinh vật nhân chuẩn), và sự khởi đầu bị thay đổi góp phần vào các chương trình gen gây bệnh. Mục này mô tả enzym học ở cấp độ tham khảo và không cung cấp hướng dẫn điều trị.

History

Việc phát hiện ra rằng sinh vật nhân chuẩn chứa nhiều RNA polymerase phụ thuộc DNA (Roeder và Rutter, 1969) đã phân biệt các enzyme khởi đầu phiên mã của các lớp gen khác nhau. Cấu trúc nguyên tử năm 2001 của RNA polymerase II của Cramer, Bushnell và Kornberg đã đưa ra một bức tranh cơ chế về cỗ máy xúc tác, và các phương pháp RNA mới sinh quy mô bộ gen sau đó đã cho thấy lại khởi đầu là một bước động, thường xuyên bị tạm dừng.

Key figures

• Robert G. Roeder
• Roger Kornberg
• Patrick Cramer
• Richard H. Ebright

Seminal works

• roeder-rutter-1969
• cramer-2001

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa enzyme lõi và holoenzyme là gì?

Enzyme lõi có hoạt tính xúc tác để tạo RNA, trong khi holoenzyme bổ sung một yếu tố đặc hiệu khởi đầu (như sigma của vi khuẩn) cho phép nó nhận diện promoter và bắt đầu phiên mã tại vị trí chính xác.

Tại sao việc thoát khỏi promoter được coi là một bước riêng biệt?

Sau khi tạo ra RNA ngắn đầu tiên, polymerase thường giải phóng và tạo lại các sản phẩm thất bại trước khi nó phá vỡ các tiếp xúc với promoter và cam kết kéo dài liên tục, vì vậy việc thoát là một chuyển đổi riêng biệt, được điều hòa.